電気化学9【電験3種 機械】固体高分子形燃料電池の発電原理の穴埋め問題！平成26年度 A問題12 完全解説

今回は平成26年度 機械科目 A問題12を解説します。家庭用などに使われる固体高分子形燃料電池の発電原理（改質器・電子の授受・発熱反応）に関する空所補充問題です。

都市ガスを改質器で改質して水素を作り、燃料極で水素が電子を放出して水素イオンとなり、空気極で電子を受け取って酸素と結合し水が生成される、という電子の動きの向きを追うのがポイントです。発電時は発熱反応が起こります。

平成26年度 機械科目 A問題12：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

電験3種 機械科目 【電気化学】 平成26年度 A問題12

　次の文章は，燃料電池に関する記述である。

　（ア）燃料電池は80〜100℃程度で動作し，家庭用などに使われている。燃料には都市ガスなどが使われ，（イ）を通して水素を発生させ，水素は燃料極へと導かれる。燃料極において水素は電子を（ウ）水素イオンとなり，電解質の中へ浸透し，空気極において電子を（エ）酸素と結合し，水が生成される。放出された電子が電流として負荷に流れることで直流電源として動作する。また，発電時には（オ）反応が起きる。

　上記の記述中の空白箇所(ア)，(イ)，(ウ)，(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

	（ア）	（イ）	（ウ）	（エ）	（オ）
(1)	固体高分子形	改質器	放出して	受け取って	発熱
(2)	りん酸形	燃焼器	受け取って	放出して	吸熱
(3)	固体高分子形	改質器	放出して	受け取って	吸熱
(4)	りん酸形	改質器	放出して	受け取って	発熱
(5)	固体高分子形	燃焼器	受け取って	放出して	発熱

出題のポイント：固体高分子形燃料電池の発電経路

都市ガスは改質器で水素に変換されます。燃料極では水素が電子を放出してH⁺となり、H⁺は電解質膜を、電子は外部負荷を通って空気極へ移動し、酸素と反応して水を生成します。

ポイント解説：電極反応と電子・プロトンの流れ

燃料電池は水素と酸素の化学反応から直接電気エネルギーを取り出す発電装置です。固体高分子形燃料電池は80〜100℃程度の比較的低温で動作し、家庭用のエネファームなどに使われています。

都市ガスは改質器で改質され水素が作られます。燃料極で水素は電子を放出して水素イオンとなり電解質中を移動、空気極で電子を受け取った酸素と結合して水が生成されます。全体としては水素が燃焼するのと同じ発熱反応です。

問題の解説：5つの空欄を発電原理から埋める

STEP1　（ア）燃料電池の種類を特定する

80〜100℃程度の低温で動作し家庭用に使われるのは固体高分子形燃料電池です（りん酸形は200℃程度とより高温）。

STEP2　（イ）都市ガスから水素を作る装置を特定する

都市ガスなどの燃料は改質器を通して水素に変換されます。

STEP3　（ウ）（エ）電子の授受の向きを特定する

燃料極では水素が電子を放出して（ウ）水素イオンとなり、空気極では酸素が電子を受け取って（エ）水が生成されます。

反応式：燃料極 H₂ → 2H⁺+2e⁻／空気極 4H⁺+O₂+4e⁻ → 2H₂O

STEP4　（オ）発電時の反応の種類を特定する

全体反応2H₂+O₂ → 2H₂Oは水素が燃えるのと同じ反応であり、発電時には発熱反応が起きます。

以上より（ア）固体高分子形（イ）改質器（ウ）放出して（エ）受け取って（オ）発熱の組合せである(1)が正解です。

答え：(1)

まとめ

(ア)	固体高分子形
(イ)	改質器
(ウ)	放出して
(エ)	受け取って
(オ)	発熱
答え	(1)

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